DE967720C

DE967720C - Luftverdichtende Brennkraftmaschine mit Brennstoffeinspritzung

Info

Publication number: DE967720C
Application number: DEM24978A
Authority: DE
Inventors: Hans Fischlmayr
Original assignee: Motoren Werke Mannheim AG
Current assignee: Caterpillar Energy Solutions GmbH
Priority date: 1954-10-27
Filing date: 1954-10-27
Publication date: 1957-12-05

Description

Luftverdichtende Brennkraftmaschine mit Brennstoffeinspritzung Die Erfindung bezieht sich auf Brennkraftmaschinen mit einem Brennraum im Kolben, welcher annähernd die gesamte Verbrennungsluft aufnimmt und in .den gegen Ende des Verdichtungshubes Brennstoff mittels einer außerhalb der Zylinderachse schräg im Zylinderkopf angeordneten Einspritzdüse eingespritzt wird. Es ist üblich, derartige Kolbenbrennräume als Rotationskörper auszubilden, deren Rotationsachse parallel zur Zylinderachse verläuft. Diese Hohlräume sind im allgemeinen entweder kugelig oder elliptisch geformt. Es ist weiter bekannt, derartige Brennräume sowohl selbst aus der Kolbenmitte zu versetzen als auch ihre eingeschnürte Verbindungsöffnung zum Hauptbrennraum gegenüber der Mittelachse des. .Kolbenbrennraumes zu versetzen, teilweise damit die Einspritzdüse, um Platz für .die Ventile zu schaffen, genügend seitlich angeordnet werten kann, teilweise um oder in den Kolbenbrennraum während des Verdichtungshubes einströmenden Luft eire bestimmte Richtung zu geben. Auch wind der eingezogene Rand der Verbindungsöffnung vielfach mit Ausnehmungen versehen, durch ie der Brennstoffstrahl möglichst ohne auf den Ko.benboden zu treffen in den T'olbenbrennraum gelangt.
Derart gestaltete Verbrennungsräume weisen günstigen Brennstoffverbrauch und gutes Startverhalten auf, sind aber gegenüber Verbrennungsräumen, in denen eine sehr heftige Luftbewegung zur Mischung von Luft und Brennstoff herrscht, hinsichtlich ihrer Hubraumleistung im Nachteil. Man hat bereits erkannt, daß die heftigste Luftbewegung an dem eingezogenen Ranid-der Verbindungsöffnung herrscht und sich dieser Tatsache besonders dort zur Mischung von Brennstoff und Luft bedient, wo der Brennstoffstrahl durch eine Ausnehmung des eingezogenen Randes der Verbindungsöffnung in den Kolbenbrennraum tritt. Diese Maßnahmen haben aber keine bedeutende Leistungssteigerung zur Folge, .da nicht alle Möglichkeiten ausgenutzt sind, die sich besonders bei zw eiventiligen Maschinen zur Verstärkung der Luftbewegung bieten. Es kommen hierbei naturgemäß nur solche Maßnahmen in Frage, die keine Erhöhung der Drosselwirkung der Verbindungsöffnung hervorrufen, .da sonst die Vorteile der Leistungserhöhung durch die Nachteile eines höheren Brennstoffverbrauches aufgewogen würden.
Es sind im besonderen zwei Ausführungen von Einspritzbrennkraftmaschinen bekanntgeworden, welche in der Lage sind, die Vorrotation der Ansaugluft auszunutzen.
Eine derselben .arbeitet mit einer Mehrlochdüse, die in der Zylindermitteclachse, die zugleich B.rennraummittelachse ist, angeordnet ist. Diese Anordnung hat zur Folge, @daß die intensive, am Rand der eingezogenen Öffnung auftretende Strömung außerhalb des Bereiches der einzelnen Brennstoffstrahlen auftritt und so nicht die Wirkung der durch die erfindungsgemäße Anordnung bedingten, den Brennstoffstrahl voll erfassenden Luftströmung erreichen kann.
Es wurde ferner vorgeschlagen, die Verbindungsöffnung zwischen dem Zylinderraum und einem als Rotationskörper gestalteten, im Kolben untergebrachten Verbrennungsraum einseitig anzuordnen. Die Achse des Brennstoffstrahles fällt dabei mit der Achse :des zylindrischen Verbindungskanals zusammen. Hierdurch wird der Brennstoffstrahl ähnlich wie im vorgenannten Fall von der besonders heftigen Strömung am Öffnungsrand nicht erfaßt, so daß auch hier die gemäß der Erfindung beabsichtigte Wirkung nicht zustande kommt.
Es ist demgegenüber Aufgabe der Erfindung, möglichst viele Maßnahmen zu einer gemeinsamen Wirkung so zu koordinieren, daß in dem räumlichen Bereich, in den der Brennstoff kurz vor dem oberen Totpunkt einsgespritzt wird, ohne leistungsverzehrende Drosselung eine möglichst heftige Luftbewegung erzeugt wird, die einen möglichst großen Anteildes Brennstoffstrahles erfaßt, um so die Hu'braumleistung,der Maschine zu steigern.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß an einer zweiventiligen Maschine mit schräg sitzender Einspritzdüse und einem Kolbenbrennraum von der Form eines Robationsellipsoides dadurch gelöst, daß die bei Annäherung gegen den oberen Totpunkt auftretende Luftverdrängung aus dem Hauptbrennraum in den Kolbenbrennraum und die während des Ansaughubes entstehende, sich über den ' Verdichtungshub fortsetzende Rotation der Verbrennungsluft zur Verstärkung der Luftbe@,-egung an einer geraden Kante .der Überströmöffnung insofern nutzbar gemacht werden, als die Lufteinlaßwege so ausgebildet sind, daß die beim Ansaughub entstehende Vorrotation zusammen mit der Verdrängungswirkung des Kolbens eine heftige Luftströmung ergibt und zu einer starken Ver-«vi rherlung des in der Näheder üb@e!rst#römöffn:ung getroffenen B@re.nnstoffstrahles führt, der in einem pr.aktischgeschlossenen Strahl (Spritzwinkel o°) möglichst nahe -der Kante der Überströmöffnung in einer zu ihr parallelen Ebene in den Kolbenbrennraum gespritzt wind. Die Einspritzdüse ist hierbei so eingestellt, daß der Brennstoffstrahl in der oberen Totpunktlage des Kolbens etwa auf dessen Brennraummittelpunkt ausgerichtet ist. Außerdem ist die Überströmöffnung so ausgebildet und ihre Abmessungen so gewählt, daß nur geringfügige Unterschiede in der Wandhöhe entlang ihrem Umfang auftreten. Um die Wirbelwirkung zu verstärken, ist in weiterer Ausbildung der Erfindung die Überströinöffnung am düsenseitigen Ende der geraden Kante im Bereich des Brennstoffstrahles mit einer Abschrägung versehen. Die gewünschte Vorrotation der Ansaugluft kann rat irgemäß auch durch einen an sich bekannten Ventilschirm erzeugt werden.
In der Zeichnung zeigt Fig. i einen Schnitt durch den Kolben einer Brennkraftmaschine längs der Linie A-B in Fig. 2, wobei die Lage ,der Einspritzdüse zum Kolbenbrennraum im Augenblick der oberen Totpunktlage des Kolbens dargestellt ist; Fig. z zeigt eine Draufsicht auf den in Fig. i gezeigten Kolben mit strichpunktiert dargestelltem Einlaß- und Auslaßventil und den zugehörigen Ventilkanälen.
In Fig. i befindet sich in dem Kolben i citt Brennraum 2 von der Form eines Rotationsellipsoides. Eine Überströmöffnung 4 verbindet den Brennraum 2 mit dem Zylinderraum 5. Die Brennraumachse 3 ist -gegenüber der Zylinderachse 6 in Richtung auf die Einspritzdüse 7 verschoben, so daß die Düsenachse 8 ungefähr .durch den Brennraummittelpunkt g verläuft. Die Achse 3 des Brennraumes 2 und die Wand 17 de= Überströmöffnung 4 verlaufen in zu der Zylinderachse 6 parallelen Ebenen. Der Brennraum .. enthält am -nde des Verdi-htungshubes abgesehen von einem durch den Sicherheitsabstand zwischen Kolben und Zylinderdeckel verursachten unvermeidlichen Restvolumen die gesamte Verbrennungsluft.
In Fig. a ist das Einlaßventil io mit dem Einlaßkanal i i und das Auslaßventil 12 mit dem Auslaßkanal 13 strichpunktiert dargestellt. Die -Überströmöffnung 4 ist senkrecht zur Ebene, in der die Düsenachse 8 liegt, so vom Einlaßventil io weg verschoben, daß ihre dem .Einlaßventil io zugewandte gerade Begrenzungskante 14 senkrecht über dem Brennmittelpunkt g liegt. Die Kante 14 verläuft parallel zur Ebene, in der die Düsenachse 8 liegt, und zwar in einem Abstand von ihr. der etwa dem halben Durchmesserdes Brennstoffstrahles entspricht. Die übrige Begrenzung der Überströrnöffnung 4 wird durch eine zur Kante 14 parallele gerade Kante 15 gebildet. Die beiden geraden Abschnitte der Öffnungsbegrenzung sind durch bogenförmige Kanten 16 verbunden. Die Längsachse der Öffnung 4 ist vorzugsweise so groß gewählt, daß die Höhenabmessungen der Wand 17 entlang dem Umfang der Überströrnöffnung 4 nur geringfügige Unterschiede aufweisen. Die Fläche der Öffnung 4 verhält sich zum größten Quer-,;chnitt des Brennraumes, gemessen in einer Ebene, die durch die große Achse 2o parallel zur Kolbenoberfläche verläuft, etwa wie 1 :3,5. Die kleine Achse 3 und die große Achse 2o der Brennraumellipse verhalten sich vorzugsweise wie 2 :3. 111 Richtung :der Kante 14 kann die Überströrnöffnung sowohl symmetrisch zum Brennraummittelpunkt g als auch zur Einspritzdüse 7 hin verschoben sein, so wie es die optimalen Einspritzbedingungen unter Berücksichtigung der Vermeidung einer Berührung des Kolbenbodens während des Einspritzvorganges durch :den Brennstoffstrahl ig erfordern. Infolgedessen weist der Brennstoffstrahl auch eine völlig geschlossene Form (Spritzwinkel o°) auf-, wobei sein Durchmesser etwa .dem des Drosselzapfens der Einspritzdüse 7 entspricht. Es hat sich zudem als vorteilhaft herausgestellt, an der Eintrittsstelle des Brennstoffstrahles in den Brennraum, und zwar am Übergang der Kante 14 zur Kante 16, eine kleine bogenförmige Abschrägung 18 von der Breite des Brennstoffstrahles ig vorzusehen.
Die Wirkung der vorstehend beschriebenen Anordnung ist folgende: Beim Ansaugen entsteht im Zylinder eine Luftbewegung, die etwa der Richtung des Pfeiles X folgt. Diese Rotation bleibt während des Verdichtungshubes erhalten, bis der Kolben in die Nähe des oberen Totpunktes gelangt ist. Dann beginnt die aus !dem Zylinderraum 5 verdrängte Luft in die Überströrnöffnung 4 einzuströmen. Da sich die größte Menge auf der der Kante 14 benachbarten Kolbenseite befindet, tritt eine Luftverdrängung zur Kante 14 hin auf, welche in Verbindung mit der Vorrotation eine sehr heftige Luftbewegung in Richtung des Pfeiles Y erzeugt, die den Brennstoffstrahl ig trifft und sehr stark verwirbelt, so daß es möglich ist, mittlere Drücke zu erreichen, die etwa 2o% über dem für Kolbenbrennräume üblichen Wert liegen. Der Brennstoffstrahl ig wird dabei etwa in Pfeilrichtung Y verweht, was die Mischung mit rler an den Kanten 15 und 16 einströmenden Luft begünstigt. Es ist naturgemäß auch möglich, .durch einen Ventil-schirm der Ansaugluft eine Vorrotation in Pfeilrichtung X zu geben, wenn der Verlauf des Hinlaßkanals i i nicht die gewünschte Richtung er--_ibt.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: i. Luftverdichtende, mit zwei hängenden Ventilen versehene Brennkraftmaschine mit Brennstoffeinvpritzung mittels einer an der den Ventiler abgt-@vandten Seite schräg im Zylinderkopf mit ihrer Mittelachse in einer zwischen .den Ventilen liegenden Ebene angeordneten Einspritzdüse in einen im Kolben befindlichen Brennraum, der annähernd die gesamte Verbrennungsluft aufnimmt und als Rotationsellipsoid mit parallel zur Zylinderachse verlaufender Rotationsachse gestaltet sowie durch eine Überströrnöffnung mit eingezogenem Rand mit dem Zylinderraum verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Überströrnöffnung (4) eine parallel zur Ebene der Düsenmittelachse (8) verlaufende Kante (14) aufweist, welche etwa senkrecht über dem Mittelpunkt (g) des Brennraumes (2) an der .dem Einlaßventil (io) benachbarten Seite der Überströrnöffnung (4'@ angeordnet ist, längs dieser Kante (14) der Brennstoff in einem geschlossenen Strahl (ig) mit annähernd .zylindrischer Außenbegrenzung etwa im Abstand von der Größe .des halben Strahldurchmessers eingespritzt wird, während ,die Lufteinlaßwege in an sich bekannter Weise so ausgebildet sind, daß die beim Ansaughub entstehende Vorrotation der Verbrennungsluft zusammen mit der Verdrängungswirkung des Kolbens eine heftige Luftströmung um ,die Zylinderachse ergibt, die zu einer starken Verwirbelung des in :der Nähe der Überströmöffnung getroffenen Brennstoffstrahles führt. z. Brennkraftmaschine nach Anspruch i, da-.durch gekennzeichnet, daß die Überströmöffnung (4) am Übergang der parallel zur Ebene der Düsenmittelachse (8) verlaufenden Kante (14) zu .der hierzu senkrechten Kante (16) im Bereich des Brennstoffstrahles (ig) eine Abschrägung (18) aufweist. 3. Brennkraftmaschine nach Anspruch i und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoffstrahl in der oberen Totpunktlage des Kolbens etwa auf dessen Brennraummittelpunkt (g) ausgerichtet ist. 4. Brennkraftmaschine nach Anspruch i bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrotation der Ansaugluft in bekannter Weise durch einen Ventilschirm erzeugt wird.